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集成电路领域,为什么到处是晶圆?

2019-04-19 来源:国外网站推荐 - 由[国外网站大全]整理 21

在半导体行业,尤其是集成电路领域,晶圆的身影随处可见。晶圆就是一块薄薄的、圆形的高纯硅晶片,而在这种高纯硅晶片上可以加工制作出各种电路元件结构,使之成为有特定电性功能的集成电路产品。

说到集成电路(integratedcircuit,IC),或者实物,或者图片,大家都见过,如下图所示:

眼前这密密麻麻的元器件,被整整齐齐的安放在一块单晶硅材料之上,都是规规矩矩、方方正正的。可见,晶圆在?#23548;?#24212;用之中还是要被切割成方形的。

所以疑?#19990;?#20102;——硅片为什么要做成圆的?为什么是“晶圆?#20445;?#32780;不做成“晶方”?

集成电路领域,为什么到处是晶圆?

要解释这个问题,有两方面的原因:一方面似乎是由“基因决定的”;另一方面是“环境造成的?#34180;?/p>

“基因决定?#34180;?#29983;长方法导致

若要回答这个问题,首先要说一个大?#21152;?00余年历史的原因。。。

1918年,前苏联科学家切克劳斯基(Czochralski)建立起来一种晶体生长方法——直拉式晶体生长方法,简称CZ法。

硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤:硅提?#37117;?#25552;纯、单晶硅生长、晶圆成型。

首先是硅砂的提纯及熔炼。这个阶段主要是通过溶解、提纯、蒸馏等一系列措施得到多晶硅。

接下来是单晶硅生长工艺。就是从硅熔体中生长出单晶硅。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,在保护性气氛中高温加热使其熔化。使用一颗小的籽晶缓慢地?#26377;?#36716;着的熔体中缓慢上升,即可垂直拉制出大?#26412;?#30340;单晶硅锭。

最后一步是晶圆成型。单晶硅锭一般呈圆柱型,?#26412;?#20174;3英寸到十几英寸不等。硅锭经过切片、抛光之后,就得到?#35828;?#26230;硅圆片,也即晶圆。

目前,直拉法是生长晶圆最常用的方法了,除了直拉法之外,常用的方法还有区熔法。

区熔法,简称Fz法。1939年,在贝尔实验室工作的W·G·Pfann 最先萌生了“区域匀平”的念头,后来在亨利·休勒 、丹·多西?#28909;说?#21327;助下,生长出了高纯度的锗以及硅单晶,并获得了专利。

这种方法是利用热能在半导体多晶棒料的一端产生一熔区,使其重结晶为单晶。使熔区沿一定方向缓慢地向棒的另一端移动,进而通过整根棒料,使多晶棒料生长成一根单晶棒料,区熔法也需要籽晶,且最终得到的柱状单晶锭晶向与籽晶的相同。

区熔法分为两种:水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于锗、GaAs等材料的提纯和单晶生长;后者主要用于硅。

为什么有横着和竖着长的不同捏?这是由于硅的熔点高,化学?#38405;?#27963;泼, 容易受到异物的玷污,所?#38405;?#20197;找到适合的器皿来盛方,?#21248;?#27700;平区熔法不能用在硅的生长上啦。

区熔法与直拉法最大的不同之处在于:区熔法一般不使用坩锅,引入的杂质更少,生长的材料杂质含量也就更少。

总而言之,单晶硅棒是圆柱形的,使用这种方法得到的单晶硅圆片?#21248;?#20063;是圆形的了。就是下图这个样的——

你知道是两头的尖尖是如何造成的吗?Bingo,图左的尖尖是籽晶,图右的尖尖是晶棒长到最后,?#23588;?#34701;态里出来后,由于复杂的流体力学原理,以及熔融态的硅迅速凝固而导致的。

“环境决定?#34180;际?#21457;展导致

其实,除了晶圆的生长方法决定的“晶圆”是圆形的这个原因之外,还有以下3条其他的决定因素:

2有?#24605;?#31639;过,比较?#26412;?#20026;L毫米的圆和边长为L毫米的正方形,考虑晶圆制造过程中边缘5到8毫米是不可利用的,算算就知道正方形浪费的使用面积比率是比圆型高的。所以,圆形是等周长?#21271;?#38754;积做大的二维图形,加工时能够充分利用原料,在一片晶圆上能分出最多的芯片。

3在?#23548;实?#21152;工制成当中,圆形的物体比较便于生产操作。圆型具有任意轴对称性,这是晶圆制作工艺必然的要求,可以想象一下,在圆型晶圆表面可以通过旋转涂布法(spin coating,事实上是目前均匀涂布光刻胶的唯一方法)获得很均匀一致的光刻?#21644;?#23618;,但其它形状的晶圆呢?不可能或非常难,可以的话也是成本很高。

4作为圆柱的单晶硅晶锭更便于运输,?#34892;?#30340;避免了在运输途中磕碰损坏,边角碎掉什么的造成材料损耗。

在硅棒做出来后,在200mm以下的硅棒上是切割一个平角,叫Flat。在200mm(含)以上硅棒上,为?#24605;?#23569;浪费,只裁剪个圆形小口,叫做Notch。最后再进行切片,得到的晶圆如下。

那么,这个小豁口是做什么用的呢?很容易想到——定位。这样每片晶圆的晶向就能确定,在加工的时候也不容易出错了。

所以,为什么“晶圆”没有方的???答案很简单,是一个历史遗留的问题,也是一个?#38469;?#38480;制的问题。而且,真的没有必要做出来正方的硅片呢~

不过,不过,真的有方形的硅片存在呢~那就是——太阳能电池所用的硅片。


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